Metais e dielétricos - quais são as diferenças?

Metais

Os elétrons de valência de um metal estão fracamente ligados aos seus átomos. Quando os átomos de metal condensados ​​a partir de vapores de metal formam um metal líquido ou sólido, os elétrons externos não estão mais ligados a átomos individuais e podem se mover livremente no corpo.

Esses elétrons são responsáveis ​​pela conhecida condutividade significativa dos metais e são chamados de elétrons de condução.

Átomos de metal despojados de seus elétrons de valência, ou seja, íons positivos, compõem a rede cristalina.

Na rede cristalina, os íons realizam oscilações caóticas em torno de sua superposição de equilíbrio, chamados de sítios da rede. Essas vibrações representam o movimento térmico da rede e aumentam com o aumento da temperatura.

Os elétrons de condução na ausência de um campo elétrico no metal movem-se aleatoriamente a velocidades da ordem de milhares de quilômetros por segundo.

Quando uma voltagem é aplicada a um fio de metal, os elétrons de condução, sem enfraquecer seu movimento caótico, são levados de forma relativamente lenta por um campo elétrico ao longo do fio.

Com esse desvio, todos os elétrons adquirem, além da velocidade caótica, uma pequena velocidade de movimento ordenado (da ordem de, por exemplo, milímetros por segundo). Este movimento fracamente ordenado de k causa corrente elétrica em um fio.

Dielétricos

A situação é completamente diferente com outras substâncias que levam o nome isoladores (na linguagem da física — dielétricos). Nos dielétricos, os átomos vibram em torno do equilíbrio da mesma forma que nos metais, mas possuem um conjunto completo de elétrons.

Os elétrons externos dos átomos dielétricos estão fortemente ligados aos seus átomos e não é tão fácil separá-los. Para fazer isso, você precisa aumentar significativamente a temperatura do dielétrico ou submetê-lo a algum tipo de radiação intensa que pode arrancar elétrons dos átomos. No estado normal, não há elétrons de condução em um dielétrico e os dielétricos não transportam corrente.

A maioria dos dielétricos não são cristais atômicos, mas moleculares ou líquidos. Isso significa que os sítios da rede não são átomos, mas moléculas.

Muitas moléculas consistem em dois grupos de átomos ou apenas dois átomos, um dos quais é eletricamente positivo e o outro negativo (chamadas de moléculas polares). Por exemplo, em uma molécula de água, ambos os átomos de hidrogênio são a parte positiva, e o átomo de oxigênio, em torno do qual os elétrons dos átomos de hidrogênio giram na maior parte do tempo, são negativos.

Duas cargas de igual magnitude, mas de sinais opostos, localizadas a uma distância muito pequena uma da outra, são chamadas de dipolo. Moléculas polares são exemplos de dipolos.

Se as moléculas não consistem em íons de cargas opostas (átomos carregados), ou seja, não são polares e não representam dipolos, eles se tornam dipolos sob a ação de um campo elétrico.

O campo elétrico puxa cargas positivas, que estão incluídas na composição de uma molécula (por exemplo, um núcleo), em uma direção e cargas negativas em outra e, afastando-as, cria dipolos.

Esses dipolos são chamados de elásticos – o campo os estica como uma mola. O comportamento de um dielétrico com moléculas apolares difere pouco do comportamento de um dielétrico com moléculas polares, e assumiremos que as moléculas dielétricas são dipolos.

Se um pedaço de dielétrico for colocado em um campo elétrico, ou seja, um corpo eletricamente carregado é levado ao dielétrico, que possui, por exemplo, uma engrenagem positiva, os íons negativos das moléculas dipolo serão atraídos para essa carga, e o íons positivos serão repelidos. Portanto, as moléculas dipolo irão girar. Essa rotação é chamada de orientação.

A orientação não representa uma rotação completa de todas as moléculas dielétricas. Uma molécula tomada aleatoriamente em um determinado momento pode acabar voltada para o campo, e apenas um número médio de moléculas tem uma orientação fraca para o campo (ou seja, mais moléculas estão voltadas para o campo do que na direção oposta).

A orientação é prejudicada pelo movimento térmico - vibrações caóticas das moléculas em torno de suas posições de equilíbrio. Quanto mais baixa a temperatura, mais forte é a orientação das moléculas causada por um determinado campo. Por outro lado, a uma dada temperatura, a orientação é naturalmente mais forte o campo.

Polarização dielétrica

Como resultado da orientação das moléculas dielétricas na superfície voltada para a carga positiva, aparecem as extremidades negativas das moléculas dipolo e as positivas na superfície oposta.

Nas superfícies do dielétrico, cargas elétricas… Essas cargas são chamadas de cargas de polarização e sua ocorrência é chamada de processo de polarização dielétrica.

Como segue do exposto, a polarização, dependendo do tipo de dielétrico, pode ser orientacional (moléculas dipolo prontas são orientadas) e deformação ou polarização de deslocamento eletrônico (moléculas em um campo elétrico são deformadas, tornando-se dipolos).

A questão pode surgir por que as cargas de polarização são formadas apenas nas superfícies do dielétrico e não dentro dele? Isso é explicado pelo fato de que dentro do dielétrico as extremidades positiva e negativa das moléculas dipolo simplesmente se cancelam. A compensação estará ausente apenas nas superfícies de um dielétrico ou na interface entre dois dielétricos, bem como em um dielétrico não homogêneo.

Se o dielétrico é polarizado, não significa que ele esteja carregado, ou seja, tem uma carga elétrica total. Com a polarização, a carga total do dielétrico não muda. No entanto, uma carga pode ser transmitida a um dielétrico transferindo-lhe um certo número de elétrons de fora ou tomando um certo número de seus próprios elétrons. No primeiro caso, o dielétrico será carregado negativamente e no segundo - carregado positivamente.

Tal eletrificação pode ser produzida, por exemplo, por por fricção… Se você esfregar um bastão de vidro na seda, o bastão e a seda ficarão carregados com cargas opostas (vidro - positivo, seda - negativo).Nesse caso, um certo número de elétrons será selecionado do bastão de vidro (uma fração muito pequena do número total de elétrons pertencentes a todos os átomos do bastão de vidro).

Então, em metais e outros condutores (por exemplo, eletrólitos) cargas podem se mover livremente no corpo. Dielétricos, por outro lado, não conduzem, e neles as cargas não podem se mover em distâncias macroscópicas (ou seja, grandes comparadas ao tamanho de átomos e moléculas). Em um campo elétrico, o dielétrico é apenas polarizado.

Polarização dielétrica em uma intensidade de campo que não exceda certos valores para um determinado material é proporcional à intensidade do campo.

À medida que a voltagem aumenta, no entanto, as forças internas que ligam as partículas elementares de sinais diferentes nas moléculas tornam-se insuficientes para manter essas partículas nas moléculas. Então os elétrons são ejetados das moléculas, a molécula é ionizada e o dielétrico perde suas propriedades isolantes — ocorre ruptura dielétrica.

O valor da força do campo elétrico no qual a quebra dielétrica começa é chamado de gradiente de quebra, ou rigidez dielétrica.